基于特征的CAD系统研究

    １　特征概述

    特征技术是CAD／CAM集成的关键。传统的CAD系统基于几何模型，只能提供产品的几何模型和工艺信息的图纸表示，而CAM系统则不仅需要几何信息而且需要制造加工等工艺信息，传统的CAD系统难以实现这一要求。这样就提出了包含几何信息和非几何信息的“特征”概念，即以特征作为信息载体，实现各个系统的信息共享与交换。对于不同的应用，存在不同的特征描述，所以特征的定义和分类也不统一。本系统以回转类零件为例进行特征研究，对特征进行如下定义：特征是一个零件的形状或其他属性的信息集，该信息集可以用于该零件及其所在装配体的设计、制造或性能分析。对特征进行如下分类（见图１）。

    ２　零件特征模型

    特征建模就是通过特征技术建立适用于产品数据交换的计算机内部数据表达模式。它首先要解决特征表达和特征定义方法的问题。特征表达就是将特征的有关信息以一定形式记录在计算机内部，供系统获取所需的信息。特征表达有以下两种基本形式：外部表达模式和集成表达模式。集成表达模式与外部表达模式相比，具有以下优点：①便于实体模型和特征模型之间的信息与数据交换；②节省存储空间；③便于为多种应用提供特征信息和几何信息；④不会象外部表达模式那样容易产生不一致问题。因此，本系统采用集成表达模式。
    常用的特征建模方法有以下三种：①交互特征标定；②特征识别；③基于特征设计。其中交互特征标定需要设计者输入大量的信息，自动化程度低，当零件形状非常复杂时，这种方法几乎难以实现零件的特征造型。而自动特征识别算法复杂，同时不能有效地表达非几何信息，如尺寸公差、表面粗糙度等，并且不能有效地识别特征间的关系。因此，更合理的特征造型方法是让设计者直接利用特征建立零件的特征模型，而不是事后从几何模型中去识别。本文正是采用了这种特征建模方法。

    ２.１　特征的表达模型
    特征表达要将特征的有关信息（几何和非几何信息）以一定形式记录下来，在产品建模时供计算机从中获取。在AUTOCAD绘图中，通过点，线和文字等较好地实现了零件的几何信息表达及非几何信息（如粗糙度）的符号表示。然而计算机很难从这些符号中自动获取其工程意义，所以，特征表达模型的关键是设法建立符号与其工程意义之间的联系。AUTOCAD的图元实体都具有一信息存储器，即结果缓冲区，它分为图元定义数据段和扩展图元数据段，后者可供开发者记录有关信息，AUTOCAD为开发者提供了访问和处理这些数据的途径。这样，只要我们将特征信息记入特征图元的扩展数据中，就可以实现特征的模型表达。扩展图元数据段是单向链表结构，所以这也是本系统中特征模型的基本数据结构。特征模型的数据结构含：特征号（FEATURE-ID），特征名，特征类型，特征位置和特征参数及参数值序列。
    每个图元都有唯一的句柄（handle）来标识，根据图元句柄就可以找到其扩展数据，从而获取相应特征信息。这里，以圆柱面为例来说明特征模型。
（（１０００.“FEATURE-ID”）（１０７０.５）……特征号
（１０７０.４９）（１０００.“圆柱面”）……特征名
（１０７０.５５）（１０００.“M”）……特征类型（主特征）
（１０７０.５６）（１０００.“x０”）（１０４０.２０５.０）（１０００.“y０”）（１０４０.１５５.０）……特征位置
（１０７０.５０）（１０００.“直径”）（１０４０.４５.０）（１０００.“k６”）（１０４０.１００.０）
（１０００.“上偏差”）（１０４０.０.０）（１０００.“下偏差”）（１０４０.０６０）（１０００.“长度”）
（１０４０.４０.０）（１０００.“none”）（１０４０.１００.０）（１０００.“上偏差”）（１０４０.０.０）（１０００.“下偏差”）（１０４０.０.０）……特征参数及参数值序列

    ２.２　零件特征模型
    有了特征的表达模型，零件模型的特征表达的关键是建立各个特征之间的联系，从而构成零件的整体模型（图２）。

    作者利用AUTOCAD提供的“块”（black）实体，“块”和点、线等实体一样具有扩展数据段。这里，每个“块”并不包含任何AUTOCAD实体而为“空块”，只是利用了该空块的扩展数据段。零件的所有形状特征信息和精度特征信息分别存储于两个块的扩展数据段中。形状信息块中以主特征单向链表的形式记录各个主特征的特征号（FEATURE-ID）及其图元句柄。精度信息块内也是顺序记录各个精度特征的所在形状特征的特征号及其组成图元句柄。形状信息与精度信息之间通过对应的形状特征号建立联系。为了方便，将管理特征、材料特征和技术特征等统称为管理信息，并用文件的形式存储。

    ３　系统结构

   作者以AUTOCAD为平台，针对回转类零件进行基于特征的CAD系统开发研究。

    在结构图（图３）中，特征库用于存储回转类零件的预定义特征，其中预定义了１２个主形状特征和５０多个辅助特征，设计者通过调用特征库中的特征，经过增加、删除或修改等操作，建立零件的特征模型。由于设计者直接面向特征进行零件的造型，因此操作方便，并能较好地表达设计意图。用这种方法建立的特征模型，具有丰富的工程语义信息，为后续应用提供了方便。